Centripetalinė jėga ir išcentrinė jėga
Šis palyginimas paaiškina esminį skirtumą tarp įcentrinių ir išcentrinių jėgų sukimosi dinamikoje. Nors įcentrinė jėga yra reali fizinė sąveika, traukianti objektą link jo trajektorijos centro, išcentrinė jėga yra inercinė „tariamoji“ jėga, jaučiama tik besisukančioje atskaitos sistemoje.
Akcentai
- Centripetalinė jėga traukia link centro, o išcentrinė jėga, atrodo, stumia tolyn.
- Be įcentrinės jėgos objektas nuskristų tiesia liestine linija.
- Išcentrinė jėga techniškai yra „fiktyvi jėga“, nes ji atsiranda dėl inercijos, o ne dėl sąveikos.
- Abi jėgos turi tą patį matematinį dydį: masė, padauginta iš greičio kvadrato, padalyta iš spindulio.
Kas yra Centripetalinė jėga?
Tikra fizinė jėga, veikianti objektą, kad jis judėtų išlenktu keliu.
- Kryptis: Sukimosi centro link
- Gamta: reali jėga (įtempimas, gravitacija, trintis)
- Rėmas: stebimas iš inercinės (fiksuotos) sistemos
- Poveikis: Pakeičia greičio kryptį
- Reikalavimas: Būtinas bet kokiam sukamaisiais judesiais
Kas yra Išcentrinė jėga?
Matoma jėga, kurią jaučia objektas, judantis apskritimu, stumia jį tolyn nuo centro.
- Kryptis: Nuo sukimosi centro
- Gamta: Pseudo arba fiktyvi jėga
- Rėmas: stebimas iš besisukančio (neinercinio) rėmo
- Poveikis: Suvokiamas išorinis stūmimas arba „mėtymas“
- Kilmė: objekto inercijos rezultatas
Palyginimo lentelė
| Funkcija | Centripetalinė jėga | Išcentrinė jėga |
|---|---|---|
| Jėgos kryptis | Į vidų (nukreipta į ašį) | Į išorę (nukreipta nuo ašies) |
| Jėgų klasifikacija | Tikra fizinė jėga | Inercinė arba fiktyvi jėga |
| Atskaitos rėmelis | Inercinis (stacionarus stebėtojas) | Neinercinis (besisukantis stebėtojas) |
| Niutono dėsniai | Laikosi trečiojo Niutono dėsnio (veiksmo/reakcijos) | Neturi fizinės reakcijos poros |
| Pagrindinė formulė | Fc = mv² / r | Fcf = mv² / r (matematiškai identiškas) |
| Fizinis šaltinis | Gravitacija, įtampa arba trintis | Objekto inercijos pasipriešinimo kreivė |
Išsamus palyginimas
Fundamentali prigimtis
Centripetalinė jėga yra apčiuopiama sąlyga judėjimui sukamaisiais judesiais; ją sukuria fizinės sąveikos, tokios kaip stygos įtempimas arba planetos gravitacinė trauka. Išcentrinė jėga, priešingai, nėra „jėga“ tradicine prasme, o inercijos poveikis. Tai judančio objekto polinkis judėti tiesia linija, kuris, priverstas objektą išlinkti, jaučiamas kaip stūmimas į išorę.
Stebėtojo perspektyva
Skirtumas labai priklauso nuo stebėtojo pozicijos. Žmogus, sėdintis ant žemės ir stebintis automobilį, pasukantį posūkyje, mato įcentrinę jėgą (trintį), traukiančią automobilį į vidų. Tačiau automobilyje esantis keleivis jaučia išcentrinę jėgą, stumiančią jį į duris. Keleivio pojūtis jam yra realus, tačiau iš tikrųjų tai yra jo kūnas, bandantis judėti tiesiai, kol automobilis po juo sukasi.
Matematinis ryšys
Kalbant apie dydį, abi jėgos apskaičiuojamos naudojant tuos pačius kintamuosius: masę, greitį ir posūkio spindulį. Sukamojoje atskaitos sistemoje išcentrinė jėga dažnai laikoma lygia ir priešinga įcentrinei jėgai, siekiant supaprastinti skaičiavimus. Tai leidžia inžinieriams subalansuoti „išorinę“ trauką su „vidine“ konstrukcine atrama, pavyzdžiui, projektuojant centrifugas ar pasvirusias greitkelių kreives.
Veiksmo ir reakcijos poros
Įcentrinė jėga yra standartinės Niutono trečiojo dėsnio poros dalis; pavyzdžiui, jei siūlas traukia rutulį į vidų, rutulys traukia siūlą į išorę (išcentrinis mainai). Išcentrinė „jėga“ kaip atskira sąvoka besisukančioje sistemoje neturi tokios poros, nes nėra išorinio objekto, kuris stūmtų. Ji atsiranda vien dėl pačios koordinačių sistemos pagreičio.
Privalumai ir trūkumai
Centripetalinė jėga
Privalumai
- +Išlaiko planetas orbitoje
- +Užtikrina saugų automobilio posūkį
- +Naudojamas palydovų stabilizavimui
- +Laikosi standartinių judėjimo dėsnių
Pasirinkta
- −Reikalinga nuolatinė energija / sąnaudos
- −Gali sukelti struktūrinę įtampą
- −Apriboja maksimalų apsisukimo greitį
- −Reikalingas konkretus trinties lygis
Išcentrinė jėga
Privalumai
- +Atskiria skysčius laboratoriniame darbe
- +Sukuria dirbtinę gravitaciją
- +Džiovina drabužius gręžimo ciklų metu
- +Supaprastina besisukančio kadro matematiką
Pasirinkta
- −Gali sukelti mechaninį gedimą
- −Sukelia keleiviams nepatogumų
- −Dažnai neteisingai suprantama konceptualiai
- −Ne tikra fizinė sąveika
Dažni klaidingi įsitikinimai
Išcentrinė jėga yra reali jėga, kuri subalansuoja įcentrinę jėgą.
Inercinėje sistemoje objektą veikia tik įcentrinė jėga. Jei jėgos būtų tikrai subalansuotos, objektas judėtų tiesia linija, o ne apskritimu; „pusiausvyra“ yra tik matematinis patogumas, naudojamas besisukančiose sistemose.
Objektas „išskrenda“, nes išcentrinė jėga yra stipresnė.
Kai styga nutrūksta, objektas nejuda tiesiai nuo centro. Jis juda tiesia linija, liesdamas apskritimą atleidimo taške, nes išnyksta įcentrinė jėga ir įsijungia inercija.
Išcentrinė jėga išvis neegzistuoja.
Nors vadinamas „fiktyviu“, neinercinėse sistemose tai yra labai realus reiškinys. Žmogui, esančiam karuselėje, išorinis stūmimas yra išmatuojamas efektas, kurį reikia paaiškinti naudojant fiziką, net jei jis neturi fizinio šaltinio.
Šias jėgas patiria tik greitai judantys objektai.
Kiekvienas objektas, judantis kreive, patiria abu šiuos efektus, nepriklausomai nuo greičio. Tačiau kadangi greitis formulėje yra pakeltas kvadratu, šių jėgų intensyvumas smarkiai didėja didėjant greičiui, todėl jos labiau pastebimos esant dideliam greičiui.
Dažnai užduodami klausimai
Kas nutinka, jei įcentrinė jėga staiga nutrūksta?
Kaip centrifuga panaudoja šias jėgas medžiagoms atskirti?
Ar dirbtinė gravitacija erdvėje yra centripetinė, ar išcentrinė?
Kodėl keliai turi nuožulnias kreives?
Ar išcentrinė jėga kada nors egzistuoja „reali“?
Ar centripetalinė jėga veikia objektą?
Kuo skiriasi išcentrinis ir centripetalinis pagreitis?
Kodėl keleiviai autobuse, besisukančiuose ir besisukančiame, linksta į išorę?
Nuosprendis
Analizuodami fizikinius dėsnius, lemiančius, kodėl objektas išlieka orbitoje arba seka trajektoriją iš išorinio požiūrio taško, naudokite įcentrinę jėgą. Apibūdinkite pojūčius ar mechaninius įtempius, kuriuos patiria objektas ar asmuo besisukančios sistemos viduje, pavyzdžiui, pilotas, atliekantis posūkį su didele gravitacija.
Susiję palyginimai
AC vs DC (kintamoji srovė ir nuolatinė srovė)
Šiame palyginime nagrinėjami esminiai kintamosios srovės (AC) ir nuolatinės srovės (DC) – dviejų pagrindinių elektros energijos srautų – skirtumai. Jame aptariamas jų fizinis elgesys, generavimo būdas ir kodėl šiuolaikinė visuomenė, teikdama energiją viskam – nuo nacionalinių elektros tinklų iki nešiojamųjų išmaniųjų telefonų, – pasikliauja strateginiu abiejų deriniu.
Atomas prieš molekulę
Šis išsamus palyginimas paaiškina skirtumą tarp atomų, pavienių pagrindinių elementų vienetų, ir molekulių, kurios yra sudėtingos struktūros, susidarančios cheminių jungčių būdu. Jame pabrėžiami jų stabilumo, sudėties ir fizinio elgesio skirtumai, suteikiant pagrindinį materijos supratimą tiek studentams, tiek mokslo entuziastams.
Atspindys ir refrakcija
Šiame išsamiame palyginime nagrinėjami du pagrindiniai šviesos sąveikos su paviršiais ir terpėmis būdai. Atspindys apima šviesos atspindėjimą nuo ribos, o refrakcija apibūdina šviesos lenkimąsi jai pereinant į kitą medžiagą, ir abu šiuos būdus lemia skirtingi fizikiniai dėsniai ir optinės savybės.
Banga ir dalelė
Šiame palyginime nagrinėjami esminiai skirtumai ir istorinė įtampa tarp materijos ir šviesos bangų ir dalelių modelių. Nagrinėjama, kaip klasikinė fizika juos laikė vienas kitą paneigiančiais dariniais, kol kvantinė mechanika nepristatė revoliucinės bangų ir dalelių dualumo koncepcijos, kai kiekvienas kvantinis objektas, priklausomai nuo eksperimentinės aplinkos, pasižymi abiejų modelių savybėmis.
Darbas ir energija
Šiame išsamiame palyginime nagrinėjamas esminis darbo ir energijos ryšys fizikoje, išsamiai aprašant, kaip darbas yra energijos perdavimo procesas, o energija – gebėjimas atlikti tą darbą. Jame paaiškinami jų bendri vienetai, skirtingi vaidmenys mechaninėse sistemose ir pagrindiniai termodinamikos dėsniai.